《AGV存取烟丝箱式自动化物流系统设计规范》技术报告

PAGE48《AGV存取烟丝箱式自动化物流系统设计规范》技术报告项目背景随着卷烟工业企业对柔性化生产及自动化程度要求的不断提高，以及近几年物流、检测、计算机控制、物联网、RFID等技术的不断进步，烟丝箱式存储自动化物流系统在国内烟草行业得到广泛的应用与迅猛的发展。烟丝箱式存储方式主要包括立体仓库存储和平库堆叠存储两种方式，目前，使用基于AGV存储及输送的平库堆叠方式的烟丝箱式存储，在国外烟草公司都有广泛的运用，但在国内已建成的只有厦门烟草工业有限责任公司、龙岩烟草工业有限责任公司、安徽中烟工业公司合肥卷烟厂，但各厂区烟丝箱规格缺乏统一标准、地面设计缺乏规范，射频识别标签（RFID）信息没有统一的规范，缺少相应的规范要求，制约了烟草行业内烟丝箱的流通和远期发展。2.项目目的和意义为卷烟工厂箱式储丝AGV存取及输送模式的设计提供规范。为行业内卷烟工厂新建烟丝库的工艺布局提供设计依据，规范建筑设计施工单位依据规范中地面施工要求，进行设计施工，规范设备厂商依据规范中烟丝箱的规格和射频识别标签信息格式进行烟丝库相关设备设计。根据箱式储丝AGV存取及输送模式的设计规范，可以降低工艺设计难度和设备开发成本，规范了AGV运行环境要求，保证设备的正常运行，有效的促进烟丝箱的流通。3.项目研究内容3.1烟丝箱式储存自动化物流系统设计框架来源为满足卷烟生产中“分组加工、均质化加工、信息化加工”的需要，适应国家局“按订单供货”需要，烟丝箱式自动化物流系统设计时考虑的工艺需求有如下5点，包括：避免不同烟丝间串味，降低烟丝存储环境要求，增加烟丝有效存储时间，提高企业精细化管理水平，烟丝模块化加工的硬件支撑。烟丝箱式储存自动化物流系统包括以下5个组成部分，工艺、设备、电气控制系统、信息管理系统以及建筑动力和消防。为满足相应的工艺需求，该系统设计时所需关注的核心技术点总结如下：工艺部分：主要包含一般工艺规定、工艺流程等；设备、电控及信息控制由于交叉内容较多，可归纳为四层管控系统；建筑动力及消防部分包括：建筑要求、动力要求和消防系统等；经进一步分析、选择，得到五个与系统设计及后续运营密切相关的核心要素展开进一步研究，即工艺流程、AGV系统及设别、烟丝箱、无线射频识别系统、建筑地面，这五个设计规范是本标准特别关注的内容。3.2工艺流程的研究3.2.1系统功能基于AGV存储及输送模式的烟丝箱式储存自动化物流系统，采用AGV作为烟丝箱存储及输送的工具，现有两种烟丝箱存储模式，即有货架和无货架，包含有三大部分：烟丝装箱、AGV存储及输送、烟丝翻箱。3.2.2工艺流程通过项目组对AGV存取烟丝箱式自动化物流系统主要工艺流程的研究、分析，总结得出该系统主要涉及烟丝入库和出库两大流程，含烟丝装箱段、AGV存储及输送段、烟丝翻箱段，本标准提供的可供参考的具体流程如图1所示。出库烟丝翻箱段空烟箱回库烟丝翻箱入库烟丝箱回库烟丝抽样空箱残留烟丝清洁烟丝箱射频识别标签信息校验AGV存储及输送段AGV输送AGV输送库区烟丝装箱烟丝箱信息写入射频识别标签烟丝装箱段出库烟丝翻箱段空烟箱回库烟丝翻箱入库烟丝箱回库烟丝抽样空箱残留烟丝清洁烟丝箱射频识别标签信息校验AGV存储及输送段AGV输送AGV输送库区烟丝装箱烟丝箱信息写入射频识别标签烟丝装箱段图1系统主要工艺流程图3.3设备要求3.3.1AGV设备要求AGV用于烟丝箱的存储及输送，其工作的区域包括取货站台、放货站台和烟丝箱堆叠库区。受烟丝箱尺寸、取放货站台的尺寸和库区货位高度以及运行环境的影响，为保障安全运行，本标准建议AGV单机设备的基本参数、性能和安全以及AGV控制系统的设计必须满足一定的要求。3.3.1.1基本参数要求1）AGV尺寸应能满足正常驶入取放货站台和烟丝箱存储区；目前烟丝平库存储包括货架存储和无货架存储（直接放在地面）两种方式，相应的AGV分别为货叉式和夹抱式。货叉式货叉深度：大于烟丝箱长度；货叉宽度/支腿宽度：小于货架承载梁间距；货叉提升高度：大于3400mm（默认烟丝箱高度：1250mm，不低于驶入式货架二层及底层牛腿及安全距离）；车体宽度：小于货架宽度；夹抱式夹具深度：大于烟丝箱长度；支腿宽度：大于烟丝箱宽度；夹具张开宽度：大于烟丝箱宽度；夹具提升高度：大于4500mm（默认烟丝箱高度：1250mm）；2）AGV的定位精度值应小于输送机尺寸和烟丝箱尺寸的差值；烟丝箱和输送机的配合与AGV相关的包括取货和放货。货叉式AGV在取货时，如果定位精度偏差过大，则烟丝箱不在货叉的中间位置而导致不平衡，可能在搬运过程中发生翻到等事故。在放货时，为了防止将烟丝箱放在输送机上而不是输送机护栏上，就要求AGV的定位精度必须小于烟丝箱与输送机导向护栏的大小差。正常情况下，为了实现输送机护栏的导向作用，护栏与输送物的间隙会调整在20mm-30mm左右，这就要求AGV的定位精度不能少于±20mm。3）AGV的定位精度值需小于库区存储货位的间隙；因为烟丝库平库存储均采用密集式存储，为在有限的空间内尽可能地多存储烟丝箱，不论是驶入式货架或全箱式无货架的存储方式，烟丝箱之间的空间均尽可能小，这就对进行自动取货和放货工作的AGV的定位精度提出了要求。定位精度越准确，烟丝箱货位之间的预留空间就可以越小。目前烟草行业使用的AGV定位精度有2种：±5mm和±10mm。综合上述两点分析，本标准建议AGV的定位精度标准不低于±10mm。3.3.1.2安全要求1）障碍物检测功能要求应在主要运行方向上安装接近障碍物检测装置或接触式障碍物缓冲器；接触障碍物缓冲器的安装宽度应大于AGV主体结构的宽度，防撞装置的任意位置被碰撞时，AGV应立即停止运行；接近障碍物检测装置的安装宽度应大于AGV主体结构的宽度，在安全防撞装之前800mm或以上距离检测到有人或障碍物时，AGV应减速运行并保证在障碍物碰到接触式障碍物缓冲器前停车。2）紧急停车功能要求应在方便操作的位置安装紧急停车按钮，且紧急停车按钮灵敏可靠；在脱离运行线路、超出设定范围或不可控时能停车报警。3）其它要求AGV与地面移载装置应设有在移载过程中任意一方发生意外故障的安全连锁功能，在排除故障之前，系统应维持停止状态。在从停车状态自动转为运行状态时，应发出启动的警告声后方可运行。在停车报警时，能够显示报警及故障的相关信息。运行时噪声≤85dB(A)。3.3.2烟丝装箱段设备要求1）烟丝装箱段设备主要功能包括：收货、RFID读写、装箱、输送等，设备选型应满足工艺要求。2）装箱机数量应根据产量配置，并考虑同时段生产的牌号数量等因素。3）应配置电子秤称量烟丝箱重量，并宜加设退箱口或异常处理口。3.3.3烟丝翻箱段设备要求1）烟丝翻箱段设备主要功能包括：收货、RFID读写、翻箱、喂丝、输送等，设备选型应满足工艺要求。2）喂丝机数量应根据产量配置并考虑同时段生产的牌号数量等因素。3）宜选用辊道式输送机输送烟丝箱，并宜加设退料口或异常处理口。3.3.4烟丝箱设计要求项目组考察了各家建有该物流系统的烟草工业企业，总结得出，作为直接与烟丝接触的关键容器，烟丝箱为满足相关工艺要求，需在烟丝箱材料、结构、制造工艺达到如下标准：1）烟丝箱体、箱盖板选用双面覆膜全桦木胶合板、普通i类（即环保）胶，其甲醛释放量应达到E0级（≤0.5mg/L），覆膜与胶合板需达到食品级包装规定，符合国家食品标准；2）烟丝箱口包边、箱盖包边、加强筋、紧固件应选择不锈钢材料并满足相应刚度要求，胶合板胶合强度要符合相应要求；3）单个烟丝箱空箱重量70kg～150kg，能够装载烟丝最大重量为220kg，满足最多四个烟丝箱叠加放置，最大重量为1500kg，烟丝箱的叠加与分离由设备夹抱箱子的加强筋完成；装箱过程中，装箱站的压实装置通过烟丝料位检测系统，对烟丝箱内烟丝轻压；4）箱体、箱盖要求平整，平面翘曲变形和两对角线误差需满足相应的要求，箱口内侧不锈钢包边应与箱内壁平齐，包边处平滑无毛刺，不能挂烟丝；5）箱子中下部指定位置用不锈钢加强筋加固，加强筋要足以承载1500KG重量，以适合于翻箱机倒料、烟丝箱码垛机（拆垛机）夹抱，加强筋内应采用实木填充，位置误差为±1mm；6）使用箱盖导向结构时，箱盖下部留有导向结构，内嵌入箱子中，保证箱盖叠加到烟丝箱上时能够自动对中，也用于上层箱子的定位，并保证箱盖整体强度。箱盖盖上烟丝箱体后四边无缝隙；7）使用箱口导向结构时，箱口上部留有导向结构，保证箱盖叠加到烟丝箱上时能够自动对中，两箱叠加时箱体四边无缝隙；8）包边、加强筋的接缝要求焊接并打磨，焊接强度高，美观，焊缝两边基材平齐、焊缝平整均匀，不得有凸凹、夹渣等不良焊接现象；3.4管理与控制系统的要求3.4.1总体框架本标准建议设计AGV存取烟丝箱式自动化物流系统的管控系统总体架构时可参考图2：AGV设备网络AGV设备网络设备翻箱设备烟丝箱射频识别设备AGV控制系统射频识别标签信息控制系统仓储管理系统调度层管理层调度控制系统装箱控制系统翻箱控制系统控制层设备层装箱设备残留烟丝检测设备图2管控系统总体架构图3.4.2电气控制系统3.4.2.1系统设计原则为保证系统的安全可靠，电控系统设计遵循以下原则：1）电控系统设计满足国家电气行业及烟草行业相关的标准和规范，使系统设计正确可靠；2）采用先进可靠的Profibus和Profinet现场总线技术，便于维护，降低布线安装成本；增强了系统开放性、兼容性和实时性。3）采用国内外知名厂家的器件，保证系统的可靠性和安全性。4）控制系统的操作在人机界面上进行，人机界面直观、简洁，易于操作和进行设备维护。5）控制方案的设计不仅考虑了系统的实用性，还考虑了系统的开放性、兼容性和可扩展性。3.4.2.2电气控制系统基本功能为符合系统使用要求，电气控制系统设计基本功能应具有：1）物流操作自动控制和信息处理；2）物流特征信息和输送状态信息；3）物流系统运行状态和故障信息监控；4）物流信息的识别；5）至少三种操作模式：全自动控制、手动控制、自动控制。6）紧急停止功能：主控柜上设置有紧急停止开关，按下急停开关，切断整个输送机系统的动力电源，控制系统的电源不会被切断；在每个操作员终端上设有紧急停止开关，按下终端上的急停开关，切断该终端控制区域的动力电源,控制系统的电源不会被切断。3.4.3无线射频识别系统的设计要求3.4.3.1射频识别标签工作频率的选择工作频率选择是RFID技术中的一个关键问题。工作频率的选择既要适应各种不同应用需求，还需要考虑各厂家对无线电频段使用和发射功率的规定。当前RFID工作频率跨越多个频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸大小，还影响标签与读写器的价格。此外，无线电发射功率的差别影响读写器作用距离。低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限。为扩大无线覆盖范围，必须扩大标签天线尺寸。尽管低频无线覆盖范围比高频无线覆盖范围小，但天线的方向性不强，具有相对较强的绕开障碍物能力。而低频段电子标签的成本相对较低，且具有卡状、环状、钮扣状等多种形状。高频频段能量相对较高，适于长距离应用。低频功率损耗与传播距离的立方成正比，而高频功率损耗与传播距离的平方成正比。由于高频以波束的方式传播，故可用于智能标签定位。其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区域覆盖。高频频段数据传输率相对较高，且通讯质量较好。3.4.3.2射频识别标签的信息存储格式要求在RFID运用过程中，更为主要关注的是RFID信息格式部分，根据现有卷烟工厂使用的RFID信息，结合软件开发和卷烟工厂间烟丝箱的流通，经过项目组多次研讨会探讨，以及在实际运行中总结的经验，同时经各家协作单位确认可行，本标准给出了一个可供参考的说明，对烟丝箱射频识别标签（RFID）信息进行统一的规范，保证烟草行业内烟丝箱的流通和远期发展。其中需要包括的信息有：烟箱状态、批次号、牌号、版本号、物料重量、装箱日期、厂家代码、质检状态等几个参数，这也是在实际生产运行环节中比较重要的参数。而实际使用时的字节大小可以根据不同卷烟工厂情况调整。具体信息存储格式见表1。表1射频识别标签用户数据区存储格式序号字节（0-128）存储类型存储内容说明10Int烟箱号存储烟箱号，如：0001代表1号烟丝箱。22String唯一标识符RFID出厂自带编号，如：GIA8FID5代表一个唯一的烟箱RFID信息识别码，由机器识别312Int区分码区分烤烟型及混合型烟箱，如：1代表混合型，2代表烤烟型414Int烟箱状态烟箱状态，如：0=未初始化，1=空箱，2=实箱，3=异常烟箱516Real皮重初始皮重（仅在初始化前写入）620Real动态皮重动态皮重（在每次装箱前写入）724Bool烟箱盖情况烟箱盖是否加盖，如：0=是，1=否826String批次号存储批次号情况，如：20130521041，代表2013年5月21日生产的第4批烟丝，1代表成品烟丝944String牌号存储牌号，如：61028代表蓝狼烟丝1062Int版本号存储版本号，如：160代表重量在（155，165）之间的烟丝1164Int批次系列号存储批次系列号，如：24代表该批次第24箱装箱的烟箱1266Real物料重量存储物料重量，如：223.86代表烟箱里物料的重量（公斤）1370String装箱日期存储装箱日期及时间，如：2013-6-119:15:581492String厂家代码公司名称，如：12303代表生产厂家代码15102Int质检状态质检状态，如：0=免检，1=不合格，2=合格，3=待检，4=质检中，5=盘点中，6=冻结，7=停用16104Real含水率含水率，装箱时写入，如：10.5表示该箱烟丝含水率为10.5%3.4.3.3射频识别标签的应用1）初始化烟丝箱通过AGV输送至输送机时，进行称重、标识、区分，写入射频识别标签，进行初始化：a）清除射频识别标签中用户数据区的数据；b）将烟箱号、唯一标识符、区分码、烟箱状态、烟箱称重后的初始皮重写入；c）将烟箱射频识别标签的信息传递至仓储调度系统存储。2）装箱环节烟丝箱装箱时，对射频识别标签进行信息更新：a）装箱前重称动态皮重，与初始皮重比对，符合设定公差的进入装箱环节；b）装箱后更新信息，包括：烟箱状态、动态皮重、货位、烟箱盖情况、批次号、牌号、版本号、批次系列号、物料重量、装箱日期、厂家代码、质检状态。3）翻箱环节烟丝箱翻箱时，对射频识别标签进行信息更新：a）翻箱前读取射频识别标签信息，与控制系统比对，信息一致后进入翻箱环节；b）翻箱后清除信息，包括：烟箱状态、批次号、牌号、版本号、批次系列号、物料重量、装箱日期、厂家代码、质检状态。3.5仓库地面建筑要求3.5.1AGV对地面建筑要求为保障AGV的正常行驶，针对使用地面提出具体要求，可有效避免因路面不良造成AGV部件损坏或故障、物流运输不畅、地面的再次加固工程。地面建筑要求包含路面平整度、接缝宽度、地面承重、地面摩擦系数、地面电气特性、地面材质和地面构造等。1）平整度路面平整度是路面评价及路面施工验收中的一个重要指标，主要反映的是路面纵断面剖面曲线的平整性。AGV行驶区域地面应保持平整，不宜出现凹凸，阶梯及棱角等路况。参照GB/T20721标准，AGV行驶路径需满足不同的特定要求。2）接缝由于建筑设计要求或施工方式影响，AGV行驶路面可能存在变形缝：伸缩缝、沉降缝、抗震缝及分割缝，对于这些接缝有特定的设计要求。首先应尽力避免在AGV行驶路径上出现接缝，因此需要综合考虑具体的面层接缝的位置、尺寸以及AGV路径的规划；其次在不可避免的接缝处，根据不同的接缝宽度必须用特定方法进行处理。3）地面承重与叉车不同，AGV使用固定的行驶路径，而且AGV用聚亚安酯轮胎取代充气轮胎。所以AGV行驶路面应满足一定的承重要求。如现场地面存在隐藏空洞，无论其尺寸大小都可能对AGV使用造成严重后果，因此本标准建议AGV行走的全部区域不允许存在空洞。4）地面摩擦系数对于聚亚安酯轮胎，基于刹车安全距离及搬运定位精度的需要，地面摩擦系数大小对此极为重要，无论是地面污浊、清扫或清洁剂都可能对此造成影响。因此本标准建议地面滑动摩擦系数不得小于0.5。5）地面电气特性为避免AGV车体累积静电，参照德国DIN51953标准，本标准建议AGV行驶路面的地表导电阻抗应保持在106至108。3.5.2其余建筑要求1）地下金属物布设对